Thèse soutenue

Le recalage robuste d’images médicales et la modélisation du mouvement basée sur l’apprentissage profond
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Auteur / Autrice : Julian Krebs
Direction : Hervé DelingetteNicholas Ayache
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Automatique, Traitement du Signal et des Images
Date : Soutenance le 15/06/2020
Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - E-Patient : Images, données & mOdèles pour la médeciNe numériquE
Jury : Président / Présidente : Nikos Paragios
Examinateurs / Examinatrices : Hervé Delingette, Nicholas Ayache, Nikos Paragios, Daniel Rueckert, Ivana Isgum, Tom Vercauteren, Tommaso Mansi
Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Rueckert, Ivana Isgum

Résumé

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Cette thèse présente de nouveaux outils informatiques pour quantifier les déformations et le mouvement de structures anatomiques à partir d’images médicales dans le cadre d’une grande variété d’applications cliniques. Des outils génériques de recalage déformable sont présentés qui permettent l’analyse de la déformation de tissus anatomiques pour améliorer le diagnostic, le pronostic et la thérapie. Ces outils combinent des méthodes avancées d’analyse d’images médicales avec des méthodes d’apprentissage automatique performantes.Dans un premier temps, nous nous concentrons sur les problèmes de recalages inter-sujets difficiles. En apprenant à partir d’exemples de déformation donnés, nous proposons un nouveau schéma d’optimisation basé sur un agent inspiré de l’apprentissage par renforcement profond dans lequel un modèle de déformation statistique est exploré de manière itérative montrant une précision améliorée de recalage. Dans un second temps, nous développons un modèle de déformation difféomorphe qui permet un recalage multi-échelle précis et une analyse de déformation en apprenant une représentation de faible dimension des déformations intra-sujet. La méthode non supervisée utilise un modèle de variable latente sous la forme d’un autoencodeur variationnel conditionnel (CVAE) pour apprendre une représentation probabiliste des déformations qui est utile pour la simulation, la classification et la comparaison des déformations. Troisièmement, nous proposons un modèle de mouvement probabiliste dérivé de séquences d’images d’organes en mouvement. Ce modèle génératif décrit le mouvement dans un espace latent structuré, la matrice de mouvement, qui permet le suivi cohérent des structures ainsi que l’analyse du mouvement. Ainsi cette approche permet la simulation et l’interpolation de modèles de mouvement réalistes conduisant à une acquisition et une augmentation des données plus rapides.Enfin, nous démontrons l’intérêt des outils développés dans une application clinique où le modèle de mouvement est utilisé pour le pronostic de maladies et la planification de thérapies. Il est démontré que le risque de survie des patients souffrant d’insuffisance cardiaque peut être prédit à partir de la matrice de mouvement discriminant avec une précision supérieure par rapport aux facteurs de risque classiques dérivés de l’image.